1.4 Структура и свойства легированного аустенита

В железоуглеродистых сталях аустенит, как стабильная структурная доставляющая, существует лишь при температурах выше Ас_ъ. В специальных легированных сталях благодаря влиянию легирующих элементов на расширение γ-области, увеличению устойчивости переохлажденного аустенита и понижению мартенситной точки аустенит может быть одной из главных структурных составляющих сталей. Поэтому знание свойств легированного аустенита наиболее важно для таких высоколегированных сталей, как нержавеющие, жаропрочные, немагнитные и др.

Изменение свойств аустенитных сплавов при легировании мо­жет быть обусловлено как влиянием легирующих элементов на свойства собственно твердого раствора - аустенита, так и их влия­нием на стабилизацию аустенита к фазовым переходам, т.е. легиро­вание может вызывать превращение аустенита с образованием дру­гих фаз (например, α- и ε-фаз в сплавах железо - марганец и α-фазы в сплавах железо - никель). Легированный аустенит подразделяют на стабильный и метастабильный. При температуре выше на­чала мартенситного превращения М_н нестабильный аустенит спосо­бен к фазовому превращению - образованию мартенсита в результате приложения внешней нагрузки (деформации), т.е. деформация нестабильного аустенита вызывает мартенситное превращение, так же как и охлаждение его ниже М_н. Стабильный аустенит не претерпевает фазового превращения под влиянием деформации, при этом изменяется лишь его структура. В зависимости от того, какие легирующие элементы входят в состав аустенита и каково их количество, изменяется устойчивость аустенита к распаду при деформации, т.е. степень его нестабильности.

Изменение свойств собственно аустенита при легировании в общих чертах описывается теориями упрочнения твердых растворов. Так, упрочнение, определяемое параметром несоответствия по размерам, хорошо иллюстрируется рисунком, на котором представлена зависимость изменения твердости ΔНV от параметра решетки Δa хромоникелевого аустенита при введении в него 1 % легирующих элементов замещения и внедрения. Упрочнение тем больше, чем больше это несоответствие. Однако для элементов внедрения (С, N) и замещения (Мп, V, Со, Mo, W, Al, Cr, Ni, Si) эффективность упрочнения при одинаковых значениях Δа различна.

Зависимость упрочнения аустенита от изменения параметра решетки

при легировании хромоникелевого аустенита 1% различных элементов

Наибольший вклад в упрочнение аустенита вносят элементы внедрения, особенно азот. В отличие от α-железа растворимость азота в легированном аустените значительно выше и может превышать 1 % при комнатной темпе­ратуре.

Эффективность влияния леги­рующих элементов на свойства аусте­нита определяется базовыми аустенитными композициями, на которых осно­ван данный аустенит. Такими основ­ными композициями являются Fe-Ni; Fe-Mn; Fe-Cr-Ni; Fe-Cr-Mn; Fe-Cr--Ni-Mn. Главными аустенитообразователями во всех перечисленных аустенитных композициях являются никель и марганец, а аустенит, полученный на их основе, называют соответственно никелевым и марганцовистым. Свойства их существенно различаются.

Дефор­мационное упрочнение значительно сильнее проявляется на марганце­вом стабильном аустените (Г38), чем на стабильном никелевом (Н36). Особенно существенно это разли­чие при высоких степенях дефор­мации. Так, деформация ε = 50 % повышает твердость никелевого ау­стенита в 1,5 раза, а марганцевого в 2,6. Особенностью марганцевого ау­стенита является его хладнолом­кость при низких температурах, что аномально для спла­вов с г.ц.к. решеткой. В никелевом аустените резкого падения ударной вязкости при всех температурах испытания вплоть до -196 °С не наблюдается. Легирование аустенита может влиять на его свойства. Так, введение хрома в марганцевый аустенит заметно уменьшает его склонность к хрупким разрушениям, а легирование никелем практически не влияет на порог хладноломкости.

1.5 КАРБИДЫ И НИТРИДЫ

1.5.1 Общие закономерности

Основными фазами-упрочнителями в сталях являются карбиды (К), нитриды (Н) и комплексные соединения на их основе – карбонитриды.

К и Н относятся к фазам внедрения и образуются при взаимодействии d-переходных металлов и соответственно углерода и азота.

Для d-переходных металлов характерна «гибридизация» электронов между d- и s-орбиталями, т.е. взаимопереходы электронов с одного уровня на другой. Электроны углерода (четыре) и азота (три) усиливают «гибридизацию» и увеличивают связь металл-неметалл.

Переходные металл по их сродству к С и N, прочности и стойкости К и Н

Hf→Zr→Ti→Ta→Nb→V→W→Mo→Cr→Mn→Fe

При образовании фаз внедрения ионизации атомов в К и Н не наблюдается, между атомами сохраняется металлический характер связи и эти фазы обладают металлическими свойствами.

Кристаллические решетки К и Н во всех случаях отличаются от кристаллических решеток соответствующих переходных металлов.

По мере движения слева направо наблюдается тенденция к усложнению решетки и многообразию форм К и Н.